CN107614123A - 液体射流射出装置和液体射流射出方法 - Google Patents

液体射流射出装置和液体射流射出方法 Download PDF

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Abstract

液体射流射出装置具有：细管，其是两端开口的筒状体，在内部配置有至少相对于内面的接触角小于90度的射出液体；容器，其在配置有所述细管的一端的底部侧配置有传递介质，以能够向所述射出液体传递压力；调整机构，其使所述细管内的所述射出液体的液面和所述容器内的细管外的所述传递介质的界面沿着所述细管的轴向错开位置；以及产生机构，其使所述传递介质产生压力波，以从所述细管内的所述射出液体射出液体射流。

Description

液体射流射出装置和液体射流射出方法
技术领域
本发明涉及液体射流射出装置和液体射流射出方法。
背景技术
液体射流(jet)以往用于喷墨打印机(例如，参照“シリーズ“デジタルプリンタ技術”インクジェット,東京電气大学出版局,(2008)、日本画像学会、(ISBN978-4-501-62340-1C3072)(以下，称作“非专利文献1”)”)、微加工设备等各种领域。这样的液体射流的射出装置的大部分是对直径为与射出管内径相同程度以上的液体射流进行射出的装置。例如，喷墨打印机中使用的压电喷墨方式、气泡射流(注册商标)方式属于这种方式，均是从射出孔(喷嘴)推出液体的方式。因此，所射出的液滴的直径为射出孔的直径以上。
与此相对，当对射出管的具有凹面形状的液面以短时间施加较大的加速度时，能够从射出管射出射出管的内径的1/5左右的较细的液体射流。如果能够应用这样较细的液体射流，则能够消除喷墨打印机等的由于推出方式而成为问题的堵塞的问题。
这样，作为较细的液体射流的生成方法，存在向填充有液体的微管照射激光的方法(例如，参照“Tagawa,Y.,Oudalov,N.,Visser,C.W.,Peters,I.R.,van der Meer,D.,Sun,C.,Prosperetti,A.and Lohse,D.,Highly focused supersonic microjets,Physical Review X,Vol.2,(2012),031002.”(以下称作“非专利文献2”))。
此外，作为其他的生成方法，存在使填充有液体的试管自由落下，并使用通过与地板之间的碰撞而产生的冲击力的方法(例如，参照“Antkowiak,A.,Bremond,N.,Dizes,S.Land Villermaux,E.,Short-term dynamics of a density interface following animpact,Journal of Fluid Mechanics,Vol.577,(2007),pp.241-250.(以下称作“非专利文献3”)、“木山景仁，野口悠斗，田川義之“撃力による液体ジェットの生成”,日本機械学会論文集,Vol.80,No.814,2014”(以下称作“非专利文献4”))。
发明内容
发明要解决的问题
在上述现有的液体射流中，相对于所射出的射流速度的初始速度的增速率低至2倍左右，难以使用高粘度液体生成液体射流。因此，寻求增速率较高的微射流的生成方法。
本公开是鉴于以上背景而完成的，其目的在于提供增速率较高的液体射流射出装置。
用于解决问题的手段
本公开包含以下方式。
[1]提供一种液体射流射出装置，该液体射流射出装置具有：细管，其是两端开口的筒状体，在内部配置有至少相对于内面的接触角小于90度的射出液体；容器，其在配置有所述细管的一端的底部侧配置有传递介质，以能够向所述射出液体传递压力；调整机构，其使所述细管内的所述射出液体的液面和所述容器内的细管外的所述传递介质的界面沿着所述细管的轴向错开位置；以及产生机构，其使所述传递介质产生压力波，以从所述细管内的所述射出液体射出液体射流。
根据[1]的液体射流射出装置，射出液体相对于细管的内面的接触角小于90度，因此，细管内的射出液体的液面形成为朝向容器的底部侧的相反侧凹陷的凹面形状。通过产生机构使在容器内的细管外配置的传递介质产生压力波，以在该状态下相对于细管内的射出液体射出液体射流。其结果是，压力波从传递介质传播到射出液体，液流在细管内的凹面形状的液面集束，从液面的中央部分射出比细管细且较长的液体射流。
此时，通过调整机构使细管内的液面和容器内的细管外的界面(以下有时称作“细管外的界面”)在细管的轴向上错开位置，由此，能够调整液体射流的射出速度。例如，与细管的液面和细管外的界面的位置是同一位置的情况相比，通过使细管内的液面位于比细管外的界面更靠容器的底部侧的位置，能够提高从细管射出的液体射流的速度。
[2]提供[1]的液体射流射出装置，其中，所述传递介质具有：传递液体，其在所述容器内的底部侧至少配置在所述细管外；以及分离件，其在所述细管内或所述细管的端部被配置在所述传递液体和所述射出液体之间而使两者分离，将压力波从所述传递液体传播到所述射出液体。
根据[2]的液体射流射出装置，传递介质利用能够传播压力波的分离件，使至少在容器内的细管外配置的传递液体和细管内配置的射出液体分离。因此，在通过产生机构在传递液体产生压力波的情况下，压力波经由分离件传播到射出液体，从细管内的射出液体的液面射出液体射流。
另一方面，由于射出液体和传递液体被分离件分离，因此，能够使用与射出液体不同的液体作为传递液体。即，能够减少射出液体的使用量。此外，由于在容器内的细管外配置有作为传递介质的传递液体，因此，容易在容器内配置传递介质(传递液体)。
[3]提供[2]的液体射流射出装置，其中，所述分离件是在所述细管内或所述细管的端部形成的膜体。
根据[3]的液体射流射出装置，由于分离件是在细管的端部或细管的内部形成的膜体，因此，能够将从传递液体传播的压力波高效地传播到射出液体。
[4]提供[2]的液体射流射出装置，其中，所述分离件是如下的栓体，该栓体以能够移位的方式配置在所述细管内，其声阻抗为所述射出液体的声阻抗的1倍以上、1.5倍以下。
根据[4]的液体射流射出装置，分离件是在细管的内部形成的栓体，但是，声阻抗是所述射出液体的声阻抗的1倍以上、1.5倍以下，因此，能够将从传递液体传播的压力波高效地传播到射出液体。
[5]提供[1]的液体射流射出装置，其中，所述传递介质是所述射出液体。
根据[5]的液体射流射出装置，由于传递介质是射出液体，因此，与容器内的细管内、细管外无关，能够配置相同的射出液体。因此，通过调整机构使细管外的液面和细管内的液面的位置在细管的轴向上错开，对产生机构进行驱动。由此，在细管外的射出液体中产生压力波，并传播到细管内的射出液体，能够从细管内的射出液体的液面射出液体射流。
[6]提供[1]的液体射流射出装置，其中，所述传递介质所述传递介质是声阻抗为所述射出液体的声阻抗的1倍以上、1.5倍以下的固体。
根据[6]的液体射流射出装置，传递介质是声阻抗为射出液体的声阻抗的1倍以上且1.5倍以下的固体。因此，在传递介质和射出液体的界面抑制了压力波的衰减，高效地将压力波传播到细管内的射出液体。其结果是，从射出液体的液面射出液体射流。
在传递介质是固体的情况下，传递介质的界面不会变动，因此，细管外的界面和细管内的液面的液位差能够仅通过细管内的射出液体的液量来调整。
进而，由于细管外的传递介质是固体，因此，能够将从细管射出的液体射流的射出方向任意地设定为下方向等。
[7]提供[4]或[5]所述的液体射流射出装置，其中，所述调整机构是使所述细管内的所述射出液体的所述液面沿着所述细管的轴向移位的细管内液面移位机构。
根据[7]的液体射流射出装置，通过细管内液面移位机构使细管内的射出液体的液面沿着细管的轴向移动，由此，细管内的液面和细管外的界面沿着细管的轴向相对地在相反方向上移动。由此，能够简单地使细管内的液面和细管外的界面沿着细管的轴向错开位置。
[8]提供[4]或[5]的液体射流射出装置，其中，所述调整机构是在所述容器内使所述细管外的所述传递介质的所述界面沿着所述细管的轴向移位的细管外界面移位机构。
根据[8]的液体射流射出装置，通过细管内液面移位机构使容器内的细管外的传递介质的界面沿着细管的轴向移动，由此，细管内的液面和细管外的界面沿着细管轴向相对地在相反方向上移动。由此，能够简单地使细管内的液面和细管外的界面沿着细管的轴向错开位置。
[9]提供[3]或[6]的液体射流射出装置，其中，所述调整机构是向所述细管内供给所述射出液体的射出液体供给机构。
根据[9]的液体射流射出装置，由于传递介质的界面不会变动，因此，仅通过调整由射出液体供给机构向细管内供给的射出液体的液量，就能够任意地对细管内的液面和细管外的界面设定液位差。
[10]提供[1]～[9]中的任意一项的液体射流射出装置，其中，所述产生机构是在比所述细管内的所述射出液体的液面更靠所述容器的底部侧的位置对所述容器施加冲击力的冲击力施加机构。
根据[10]的液体射流射出装置，冲击力施加机构在比细管内的液面更靠容器的底部侧的位置对容器施加冲击力，由此，能够向细管内的液体传播压力波，以射出液体射流。即，能够以简单的结构向细管内的液体传播压力波。
[11]提供[2]～[5]、[7]、[8]、和从属于[3]的[9]中的任意一项的液体射流射出装置，其中，所述产生机构是在比所述细管内的所述射出液体的液面更靠所述容器的底部侧的位置对所述传递介质照射激光的激光照射机构。
根据[11]的液体射流射出装置，激光照射单元在比细管内的液面更靠容器的底部侧的位置对传递介质、即细管外的传递液体或射出液体照射激光，由此，使细管外的传递液体或射出液体产生气泡，将基于该气泡的产生而得到的压力波传播到细管内的射出液体。即，能够以简单的结构向细管内的射出液体传播压力波。
[12]提供[1]～[9]中的任意一项的液体射流射出装置，其中，所述产生机构是在比所述细管内的所述射出液体的液面更靠所述容器的底部侧的位置使爆炸作用于所述传递介质的爆炸机构。
根据[12]的液体射流射出装置，爆炸机构在比细管内的液面更靠容器的底部侧的位置使爆炸作用于传递介质，由此，使传递介质产生压力波，将压力波传播到细管内的射出液体。即，能够以简单的结构向细管内的射出液体传播压力波。
[13]提供[1]～[9]中的任意一项的液体射流射出装置，其中，所述产生机构是在比所述细管内的所述射出液体的液面更靠所述容器的底部侧的位置使超声波作用于所述传递介质的超声波施加机构。
根据[13]的液体射流射出装置，超声波施加机构在比细管内的液面更靠容器的底部侧的位置使超声波作用于传递介质，由此，使传递介质产生压力波，将压力波传播到细管内的射出液体。即，能够以简单的结构向细管内的射出液体传播压力波。
[14]一种液体射流射出方法，该液体射流射出方法具有：第1工序，在容器的底部侧配置传递介质，并且，在两端开口、一端插入到所述容器的传递介质内且另一端配置于传递介质外的细管内，将至少相对于内面的接触角小于90度的射出液体配置在所述细管的内部，以使得能够从所述传递介质传递压力；以及第2工序，在使所述细管内的所述射出液体的液面和所述容器内且细管外的所述传递介质的界面沿着所述细管的轴向错开位置的状态下，使所述容器内的所述传递介质产生压力波，从述细管内的所述射出液体射出液体射流。
根据[14]的液体射流射出方法，射出液体相对于细管的内面的接触角小于90度，因此，细管内的射出液体的液面形成为朝向容器的底部侧的相反侧凹陷的凹面形状。
在使细管内的射出液体的液面和容器内的细管外的传递介质的界面在细管的轴向上错开位置的状态下，通过产生机构使在容器内的细管外配置的传递介质产生压力波。
其结果是，压力波从传递介质传播到射出液体，液流在细管内的凹面形状的液面集束，从液面的中央部分射出比细管细且较长的液体射流。
而且，通过使细管内的液面和容器内的细管外的界面的位置在细管轴向上错开，能够调整液体射流的射出速度。例如，与细管的液面和细管外的界面的位置是同一位置的情况相比，通过使细管内的液面位于比细管外的界面更靠容器的底部侧的位置，能够提高从细管射出的液体射流的速度。
附图说明
图1是第1实施方式的液体射流射出装置的概略结构图。
图2是第2实施方式的液体射流射出装置的概略结构图。
图3A是对第1实施方式的液体射流射出装置中、金属棒碰撞前的液面的状态进行说明的示意图。
图3B是对第1实施方式的液体射流射出装置中、金属棒碰撞时的液面的状态进行说明的示意图。
图3C是对第1实施方式的液体射流射出装置中、金属棒碰撞后的液面的状态进行说明的示意图。
图4A是示出通过仅比较例的试管的装置射出微射流的示意图和压力冲量梯度的图。
图4B是示出通过第1实施方式的液体射流射出装置射出液体射流的示意图和压力冲量梯度的图。
图5是示出第1实施方式的液体射流射出装置中的试管的细管外的液面和细管内的液面的第1液位差与增速率之间的关系的曲线图。
图6是示出第1实施方式的液体射流射出装置中的细管的初始速度和射流速度之间的关系的曲线图。
图7是示出第1实施方式的液体射流射出装置中的细管内的液面和细管的下端面的第2液位差与增速率之间的关系的曲线图。
图8是示出第1实施方式的液体射流射出装置中的细管的初始速度和射流速度之间的关系的曲线图。
图9是示出第1实施方式的液体射流射出装置中的细管的下端面和试管的底面的第3液位差与增速率之间的关系的曲线图。
图10是示出第1实施方式的液体射流射出装置中的细管的初始速度和射流速度之间的关系的曲线图。
图11是将图6、图8、图10的曲线图汇总后的曲线图。
图12是示出在第1实施方式的液体射流射出装置中、粘度为1-1000mm2/s的范围的液体的射流速度和细管的初始速度之间的关系的曲线图。
图13是示出在第1实施方式的液体射流射出装置中、粘度和增速率之间的关系的曲线图。
图14是示出液面(液面)高度和增速率比之间的关系的曲线图。
图15是在图6上重叠示出第2实施方式的液体射流射出装置中、细管的初始速度和射流速度之间的关系的曲线图。
图16是第3实施方式的液体射流射出装置的概略结构图。
图17A是示出在第1实施方式的液体射流射出装置中、射出前的细管内的液面状态的图。
图17B是示出在第1实施方式的液体射流射出装置中、刚射出之后的细管内的液面状态的图。
图17C是示出在第1实施方式的液体射流射出装置中、从刚刚射出后经过微小时间后的细管内的液面状态的图。
图18是示出在第1实施方式的液体射流射出装置中、细管的内径不同的情况下的第1液位差及第2液位差与增速率之间的关系的曲线图。
图19是第4实施方式的液体射流射出装置的概略结构图。
图20是第5实施方式的液体射流射出装置的概略结构图。
图21是第6实施方式的液体射流射出装置的概略结构图。
图22是第7实施方式的液体射流射出装置的概略结构图。
图23是第8实施方式的液体射流射出装置的概略结构图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。
[第1实施方式]
(装置结构)
首先，参照图1对本发明的第1实施方式的液体射流射出装置10进行说明。液体射流射出装置10具有支架12、在支架12上支承的试管14、在试管14的内部配置的细管16、对试管14施加冲击力的线圈炮18、对细管16的内部气压进行加减压的注射泵20。
在本实施方式中，试管14相当于本公开的容器，线圈炮18相当于本公开的作为产生机构的冲击力施加机构，注射泵20相当于本公开的调整机构。
支架12具有基台24、从基台24竖立设置的支承棒26、固定在支承棒26上且以能够使试管14向上方移动自如的方式支承试管14的支承环28、以及固定在支承棒26的支承环28的上方且以能够使细管16向上方移动自如的方式支承细管16的支承环30。另外，在支承环30的下部安装有减震器32，以避免如下情况：由于后述的冲击力而上升的试管14与支承环30碰撞，从而破损。
试管14的上端被盖34气密地封闭，内部放入了液体(硅油)36。试管14的盖34被载置于支承环28上，由此，试管14以能够向上方移动自如的方式支承在支架12上。
细管16是比试管14细、且上端和下端开口的管体。细管16由润湿性优良(与液体36的接触角小于90度)的例如玻璃管形成。细管16的上端侧被夹钳38夹持。夹钳38载置于支承环30，由此，细管16以能够向上方移动自如的方式支承于支架12。被支承于支架12的细管16的下端贯通盖34而到达试管14的底部附近。其结果是，细管16的下端插入到试管14的液体36内，上端相比于液体36而位于上部。此外，在细管16的上端连接有与注射泵20连通的连接管40。另外，连接管40具有挠性。
在支架12的基台24上配置有线圈炮18。线圈炮18具有载置于基台上的圆筒管42、在圆筒管42的下端侧外周卷绕的线圈44、以能够在圆筒管42内上下移动自如的方式收纳的由钢材(JIS标准SS400)构成的圆柱形的金属棒46。圆筒管42从基台24延伸至试管14的下端。因此，通过对线圈44进行通电而使金属棒46向上方发射时，金属棒46会与试管14的底部碰撞。
注射泵20进行驱动，以使后述的试管14中的细管16外的液面LS1(以下，有时称作“细管16外的液面LS1”)和细管16内的液面LS2成为规定的第1液位差lu。
另外，在本实施方式中，细管16内的液体36相当于本公开的射出液体，试管14中的细管16外的液体36相当于本公开的传递介质(传递液体)。换言之，在本实施方式中，液体36相当于本公开的射出液体和传递介质(传递液体)中的任意方。
(作用)
对这样构成的液体射流射出装置10的作用进行说明。
首先，在试管14和细管16的底部侧配置了液体36后，对注射泵20进行驱动，将细管16内的气体部分加压至规定的压力。其结果是，细管16内的气体部分的压力相比于试管14的细管16外的气体部分的压力而增加，细管16内的液面LS2比细管16外的液面LS1低(参照图3A)。
在该状态下，对线圈炮18的线圈44进行通电，由此，通过电磁感应使圆筒管42内的金属棒46向上方射出，与试管14的底部冲撞(参照图3B)。位于圆筒管42上的试管14由于该冲击力而向上方飞起(参照图3C)。此时，在细管16的内部，液体36的接触角小于90度，因此形成为凹面形状的液面LS2成为水平面形状，从其中心部分喷出(射出)比细管16细的液体射流MJ。
即，如图17A～图17C所示，液体射流MJ从形成为凹面形状的液体36的细管16内的液面LS2的中心部分，以比细管16的内径细、例如细到细管16的内径的1/5左右且前端部分膨胀为球状的形状被射出。液面LS2由于该射出而向下方降低，另一方面，射出的液体射流MJ进一步伸长。
这样，在一系列的实施方式中说明的“液体射流MJ”是指，以相比于液面LS2(细管16的内径)足够细地集束的细长的形状从液面LS2射出的液体射流。另外，液体射流MJ无关于到达被射出体时是细长形状还是液滴已经从前端部分分离。
关于该液体射流MJ，后述的射流速度Vjet相对于后述的初始速度U0的增速率β(＝Vjet/U0)较大。
这样，通过射出增速率β较高的液体射流MJ，能够从被施加了固定的能量的液体36以较高的比例将能量集中于液体射流MJ(能够射出速度非常快的液体射流MJ)。因此，能够在将固定的能量施加到液体射流射出装置10的液体36的情况下，射出无法通过以往的液体射流射出的高粘度的液体36。
(参数)下面对如下参数进行说明，该参数是在对通过液体射流射出装置10射出的液体射流MJ进行解析的解析模型和实验结果进行说明时使用的参数。
实施例的解析模型是通过液体射流射出装置10射出液体射流MJ的情况下的解析模型。比较例的解析模型是以从液体射流射出装置10去除细管16的结构而从试管14射出液体射流MJ的情况下的解析模型。
参数如下(参照图3A、图4A、图4B)。
l：试管14的底面(半球状的顶部)和细管16外的液面LS1之间的距离(液面高度)(mm)
lu：细管16内的液面LS2和细管16外的液面LS1之间的距离(第1液位差)(mm)(其中，在细管16内的液面LS2较低的(试管14的底部侧的)情况下设为正)
lm：细管16的下端面和细管16内的液面LS2之间的距离(第2液位差)(mm)
lb：试管14的底面(半球状的顶部)和细管16的下端面之间的距离(第3液位差)(mm)
D：试管14的内径(mm)
d：细管16的内径(mm)
ν：液体36的运动粘度(mm2/s)(以下，有时仅称作“粘度”)
(解析模型)
首先，对与液体射流射出装置10产生的液体射流MJ的射流速度Vjet有关的物理模型进行说明。如图4A所示，考虑未在试管14中放入细管时对试管14内的液体36施加的(试管14的)初始速度U0和射流速度Vjet之间的关系。
在由于冲击力而使液体36急剧加速的情况下，急剧变化过程中的液体36的速度和与试管14之间的管壁附近的边界的速度不大。因此，纳维叶－斯托克斯(navier stokes)方程式的仅包含速度和空间微分的项与其他项相比足够小而可以忽略。此时，根据纳维叶－斯托克斯方程式，使用密度ρ，对液体36施加的初始速度U0成为下式。
[算式1]
这里，P是压力冲量，使用冲击力持续的时间τ，利用下式表示压力p。
[算式2]
在试管14的底部与金属棒46碰撞时，从试管14的底面向液面LS1产生压力冲量梯度压力冲量梯度无关于管轴方向的距离，是固定的。得到了初始速度U0的液面LS1通过液流的集束而射出集束形状的射流。此时，射流速度Vjet与试管14的初始速度U0成比例。
[算式3]
Vjet＝β0U0 (3)
这里，β0是未在试管14中放入细管的情况下的射流速度Vjet相对于对试管14内的液体36施加的(试管14的)初始速度U0的增速率。
接着，考虑向试管14插入了细管16的情况下(参照图4B)的初始速度和射流速度之间的关系。
在试管14的底面处的压力冲量梯度以细管16的下端面为边界，在细管内变化为压力冲量梯度这里，使用试管14的底面处的压力冲量梯度第1液位差lu、第2液位差lm，将细管16内的压力冲量梯度表示为下式。
[算式4]
对细管16内的液体36施加的初始速度U1与式(1)同样。
[算式5]
根据式(1)、式(4)和式(5)，细管16内的初始速度U1表示为下式。
[算式6]
根据式(6)，对细管16内的液体36施加的初始速度U1与对细管16外的液体36施加的初始速度U0相比，被增速了((lu/lm)+1)倍。在细管16中产生的射流速度Vjet与式(3)同样地，与细管内的液体36的初始速度U1成比例。
[算式7]
这里，βν是将细管16插入到试管14的情况下的射流速度Vjet相对于对细管16内的液体36施加的初始速度U1的增速率。此外，β是将细管16插入到试管14的情况下的射流速度Vjet相对于对试管14内的液体36施加的(试管14的)初始速度U0的增速率。
根据式(3)和式(7)，在增速率β0、βν相等的情况下，细管16的射流速度Vjet与未在试管14内插入细管16时相比，被增速((lu/lm)+1)倍。另外，在图4A、图4B中的液体36的粘度相等的情况下，增速率β0、βν通常相等。
这样，通过在试管14内插入细管16并对细管16外的液面LS1和细管16内的液面LS2设置液位差，这里将液面LS1设定为比液面LS2高，由此，与仅试管14时的初始速度U0相比，能够增大对细管16内的液体36施加的初始速度U1。由此，与比较例(仅试管14)相比，也能够增加细管16中生成的射流速度Vjet。
即，通过增加第1液位差lu或者减小第2液位差lm，能够提高射流速度Vjet的增速率β。
另外，液体36的粘度ν仅对增速率βν产生影响。
(实验)
为了确认基于上述作用和解析模型的考察，进行了以下的实验。
实施例的液体射流射出装置10使用了与图1所示的液体射流射出装置同样结构。
试管14是硼硅酸盐玻璃制(硬质玻璃，株式会社マルエム社、A·16.5)，底面是半球状。液体36使用了硅油(Sigma Ardlich co.)。
在实验中使用了高速度照相机(FASTCAM SA-X,Photron co.)和光源(LLUB WhiteLed BACKLIGHT,Phlox co.)。摄影速度是25000fps。
另外，在实验中，将利用高速度照相机确认到液体射流MJ开始从液面LS2的水平突出的时间设为t＝0ms。高速度照相机在从t＝0ms到t＝0.32ms确认到的射流前端的位移的时间变化近似直线，设其斜率为射流速度Vjet。
进而，同样地，高速度照相机在从t＝0ms到t＝0.32ms确认到的试管14的位移的时间变化近似直线，设其斜率为对液体36施加的初始速度U0。
在实验中，如表1所示，将各个范围内的粘度的液体36放入试管14内，对从细管16射出的液体射流MJ的射流速度Vjet进行了测定。上段是仅使液体36的粘度变化的数据，其下3段是与液体36的粘度一起使第1～第3液位差lu、lm、lb中的任意一方变化的数据。
[表1]
1.射流速度Vjet和第1液位差lu之间的关系
图5中示出增速率β(＝Vjet/U0)和第1液位差lu之间的关系。白圈表示1mm2/s的粘度、白三角形表示10mm2/s的粘度，白四边形表示100mm2/s的粘度。实验在同一条件下进行5次，在标绘中使用了平均值，在误差条中使用了标准偏差。以下，图6～图12中是同样的。
在各粘度ν中，增速率β伴随第1液位差lu的增加而增加。此外，根据式(7)，增速率β和第1液位差lu能够预想为线性关系。因此，利用直线表示线性拟合的结果。在各粘度ν中，能够确认到通过直线使实验结果表现良好。
通过式(7)对该结果进行整理，在图6中示出射流速度Vjet和对细管16内的液体36施加的初始速度U1之间的关系。另外，根据式(6)来计算对细管16内的液体36施加的初始速度U1。在各粘度ν中，射流速度Vjet伴随对细管16内的液体36施加的初始速度U1的增加而增加。这里，图6中利用直线表示通过式(7)进行线性拟合的结果。在各粘度ν中，确认到通过式(7)使实验结果表现良好。即，确认到实验结果满足式(7)，且能够通过上述模型说明实验结果。
另外，如图5所示，相对于对试管14施加的初始速度U0，确认到最大约12倍的射流速度Vjet。与在使用现有装置(仅试管14的装置)的情况下射流速度相对于初始速度U0大约为1.7倍相比，进行了大幅增速。
另外，针对表1中的细管16的内径d为0.5mm，液体36的粘度ν为10、100、500mm2/s的情况，以同样的实验条件使第1液位差lu变化，求出了“(lu/lm)+1”和增速率β的关系。图18中示出其结果。
另外，在图18中，白三角形表示10mm2/s的粘度，白圈表示100mm2/s的粘度，白四边形表示500mm2/s的粘度。实验在同一条件下进行5次，在标绘中使用了平均值，在误差条中使用了标准偏差。黑三角形是10mm2/s的粘度中的计算值，黑圈是100mm2/s的粘度中的计算值，黑四边形是500mm2/s的粘度中的计算值。
利用直线表示进行线性拟合的结果。在各粘度ν中，确认到通过直线使实验结果、计算结果表现良好。
2.射流速度Vjet和第2液位差lm之间的关系
图7示出增速率β和第2液位差lm之间的关系。其中，实验条件为lm＝1mm时，细管16内的压力冲量梯度包含于迁移区域，不能应用解析模型，因此，将其从实验条件中排除。
在各粘度ν中，增速率β伴随第2液位差lm的增加而减小。这里，根据式(7)，增速率β和第2液位差lm能够预想为反比例关系。因此，使用拟合参数A、B，利用式(8)表示增速率β。
[算式8]
图7示出将式(8)在实验结果中拟合的结果。在各粘度ν中，通过式(8)，实验结果的倾向表现良好。因此，增速率β和第2液位差lm是反比例关系。
通过式(7)对其结果是进行整理，在图8中示出射流速度Vjet和对细管16内的液体36施加的初始速度U1之间的关系。在各粘度ν中，射流速度Vjet伴随对细管16内的液体36施加的初始速度U1的增加而增加。这里，图8中利用直线表示通过式(7)进行线性拟合的结果。在各粘度ν中，确认到通过式(7)使实验结果表现良好。即，确认到实验结果满足式(7)，且能够通过模型说明实验结果。
另外，在粘度ν＝10mm2/s、对细管16内的液体36施加的初始速度U1＝8.25m/s时，计测出实验中的作为最高速度的射流速度Vjet＝14.3m/s。
3.射流速度Vjet和第3液位差lb之间的关系
图9示出增速率β和第3液位差lb之间的关系。在各粘度ν中，即使第3液位差lb变化，增速率β也基本是固定的。这与模型一致。
这里，通过式(7)对其结果进行整理，在图10中示出射流速度Vjet和对细管16内的液体36施加的初始速度U1之间的关系。在各粘度ν中，射流速度Vjet伴随对细管16内的液体36施加的初始速度U1的增加而增加。这里，图10中利用直线表示通过式(7)进行线性拟合的结果。在各粘度ν中，确认到通过式(7)使实验结果表现良好。即，确认到实验结果满足式(7)，且能够通过模型说明实验结果。
4.射流速度Vjet与第1液位差lu、第2液位差lm、第3液位差lb之间的关系
图11示出图6、图8、图10的全部结果。此外，图11中利用直线示出通过式(7)对实验结果进行拟合的结果。在各粘度中，通过式(7)，实验结果的倾向表现良好。因此，即使在分别使第1液位差lu、第2液位差lm、第3液位差lb变化的情况下，也能够通过模型说明全部实验结果。
5.射流速度Vjet和粘度ν之间的关系
图12示出粘度1～1000mm2/s的范围的液体36的射流速度Vjet和对细管16内的液体36施加的初始速度U1之间的关系。在图12中，黑圈、黑三角形、黑四边形、黑菱形分别表示5、50、500、1000mm2/s的粘度。白圈、白三角形、白四边形与图5同样。另外，根据式(6)计算对细管16内的液体36施加的初始速度U1。这里，利用各线表示通过式(7)进行拟合的结果。在各粘度中，通过式(7)使实验结果的倾向表现良好。射流速度Vjet和对细管16内的液体36施加的初始速度U1保持比例关系。因此，实验结果满足式(7)。
另外，在本实验中，如图12所示，确认到能够从高粘度(1000mm2/s)的液体36生成尖细形状的射流。
另一方面，增速率βν(图12中的线的倾斜角度)在粘度ν超过10mm2/s时减小。下面考察粘度ν和增速率βν之间的关系。
图13示出粘度ν和增速率βν之间的关系。图13中利用虚线表示通过忽略了粘度ν的数值计算(著者：Peters,I.R.,Tagawa,Y.,Oudalov,N.,van der Meer,D.,Sun,C.,Prosperetti,A.,and Lohse,D.，论文题目：Highly focused supersonic microjets:numerical simulations，杂志名：Journal of Fluid Mechanics,719号,pp.587-605、2013年1月登载)而得到的增速率。在粘度1～10mm2/s的范围内，通过实验结果得到的增速率βν与通过数值计算得到的增速率良好地一致。因此，在粘度1～10mm2/s的范围内，粘度ν对增速率βν的影响很小，认为可以忽略。
另一方面，在粘度50～1000mm2/s的范围内，增速率βν伴随粘度ν的增加而降低。因此，在粘度50～1000mm2/s的范围内，认为粘度ν有助于增速率βν的降低。
(空化(cavitation)效果)
在非专利文献4中记载了如下内容：关于流体块(直径d，高度l)的液面为凹面形状时的射流速度Vjet，如果接触角θ固定，则如式(9)所示，该射流速度Vjet仅依赖于对流体块施加的初始速度U0，而不依赖于流体块的直径d和高度l。
[算式9]
此外，如图14所示，记载了在l≧50.0mm且U0＝1.5m/s、2.0m/s、2.4m/s时，射流被大幅增速，认为是由于与空化关联的现象而产生的。
这里，记载了认为空化是在对液体施加较大的加速度、液中的局部压力成为液体36的蒸气压以下的情况下产生的。假定非压缩性液体36，并且设为在时间标尺Δti的期间内液体36的运动量变化。由于该运动量变化，压力最降低的位置是试管的底面。在非专利文献4中记载有如下内容：考虑试管的底面的压力，在运动量刚刚变化后可能产生空化气泡，这是使用大气压Patm、液体36的蒸气压Pv、液体36的密度ρ，满足下式的情况。
[算式10]
使用初始速度U0和液面高度l(lu+lm+lb)的关系而有意地产生空化，以满足该条件(式(10))，由此，将使液体射流增速应用于本发明。
(总结)
如上所述，在本实施方式的液体射流射出装置10中，将细管16插入到试管14的内侧，使细管16相对于液体36的接触角θ小于90度，从而使在细管16内部形成的液面LS2为凹面形状，由此，当从金属棒46对试管14作用冲击力时，在液面LS2中液流被集束。其结果是，从液面LS2的中心轴附近射出增速后的尖细形状的细长的液体射流MJ。
特别地，通过使细管16内的液面LS2和细管16外的液面LS1产生第1液位差lu，这里，将液面LS2设定得比液面LS1低，由此能够增加增速率β。其结果是，能够针对固定的冲击力而射出高速的液体射流。
此外，通过对细管16内的液面LS2和细管16外的液面LS1的第1液位差lu进行变更，由此，能够使增速率β变化而使射流速度Vjet变化。即，能够控制液体射流射出装置10的射流速度Vjet。
例如，通过使细管16内的液面LS2高于细管16外的液面LS1，还相对于初始速度U0而使射流速度Vjet减速。
进而，在液体射流射出装置10中，对液体36施加冲击力的线圈炮18和用于产生液面LS1和液面LS2的第1液位差lu的注射泵20等结构要素较少，装置结构简单。因此，相比于使用激光等的装置，操作性较高。
这样，通过射出增速率β较高的高速的液体射流MJ，能够从被施加了固定的能量的液体36以较高的比例将能量集中于液体射流MJ。即，由于能够射出速度较快的液体射流MJ，因此，能够克服基于高粘度液体(例如1000mm2/s)的粘性力而产生的能量损失，射出高粘度液体。
另外，认为这种液体射流射出装置10可用于喷墨、无针注射器。
例如，在应用于喷墨的情况下，从液面LS2的中央部分射出细长的液体射流MJ，因此，能够抑制墨水堵塞等。因此，能够喷出现有喷墨打印机不能喷出的粘度高的颜料系的墨水。此外，由于从细管16喷出细长的液体射流MJ，因此，能够实现高精细的打印。
另一方面，液体射流射出装置10能够喷出高速的液体射流MJ，并且，能够控制其射流速度Vjet，因此，能够控制皮下和肌肉等药剂到达位置，可应用于无针注射器。
另外，液体射流射出装置10在细管16的上端连接有连接管40，因此，在配置液体射流MJ的被射出体的情况下，例如，设置具有能够更换为连接管40而配置被射出体这样的空间的压力调整室即可。
[第2实施方式]
参照图2对本发明的第2实施方式的液体射流射出装置进行说明。对于与第1实施方式同样的结构要素，标注相同的参照标号并省略其说明。另外，仅对与第1实施方式不同之处进行说明。
如图2所示，液体射流射出装置100的细管16的上部向大气开放。另一方面，试管14通过连接管40而与注射泵20连接。
因此，通过驱动注射泵20而对试管14内的细管16外的气体部分进行减压，能够使细管16外的液面LS1上升，产生液面LS1和液面LS2的第1液位差lu。
这样，液体射流射出装置100与第1实施方式的液体射流射出装置10同样，能够从细管16内的液面LS2射出增速率β较高的细长的液体射流MJ。
此外，液体射流射出装置100将试管14的细管16外侧与注射泵20连接，从而使细管16的上端向大气开放，因此，具有容易在细管16的上部配置液体射流MJ的被射出体这样的特有的效果。
另外，与第1实施方式同样，对细管16外的液面LS1和细管16内的液面LS2设置液位差，并利用金属棒46使冲击力作用于试管14，由此，研究了细管16内的液体36(粘度1mm2/s，参照图15的黑圈)的初始速度U1和液体射流MJ的射流速度Vjet之间的关系。如图15所示，该情况下，也与第1实施方式同样，确认到存在比例关系。
[第3实施方式]
参照图16对本发明的第3实施方式的液体射流射出装置进行说明。对与第1实施方式同样的结构要素标注相同的参照标号并省略其说明。另外，仅对与第1实施方式不同之处进行说明。
如图16所示，在液体射流射出装置200中，在细管16的内部配置被射出的液体36，在试管14的内部(细管16的外部)作为传递介质而配置作为固体的一例的明胶202。
具体而言，不使明胶202流入细管16，而使明胶202流入试管14的内部，在提高试管14内部的压力而使明胶202凝固后，从后述的液体供给装置204向细管16内供给液体36。因此，通过控制从液体供给装置204供给到细管16的液体36的量，能够设定试管14中的明胶202的界面LS3(相当于第1实施方式的液面LS1)和细管16内的液体36的液面LS2的第1界面差lu’。
这里，与第1实施方式的第1液位差lu、第2液位差lm、第3液位差lb对应地，设明胶202的界面LS3和细管16内的液面LS2在细管16的轴向上的位置的差为第1界面差lu’，设细管16内的液面LS2和细管16的下端(试管14的底面侧的)面在细管16的轴向上的位置的差为第2界面差lm’，设试管14的底面和细管16的下端面在细管16的轴向上的位置的差为第3界面差lb’(参照图16)。
另外，使用了质量含水率为95％的明胶202。
细管16的一端被插入试管14的内部，另一端向大气开放。即，由于将凝固的明胶202配置在试管14的内部，因此，不需要如第1实施方式那样的用于设置液面LS1和液面LS2的第1界面差lu’的注射泵20等。此外，在配置细管16的液体36的位置处，连通有从液体供给装置204供给液体36的配管206。
另外，在图16上，液体射流MJ的射出方向(细管16的开放端)为铅直上方，但是不限于此。即，在水平方向和铅直下方的情况下也能够进行应用。
对该液体射流射出装置200的作用进行说明。
液体射流射出装置200与第1实施方式的液体射流射出装置10同样，能够从细管16内的液面LS2射出增速率β较高的细长的液体射流MJ。
特别地，在液体射流射出装置200中，在试管14内配置的明胶202的含水率是95％，因此，明胶202的声阻抗和液体36的声阻抗之差较小。因此，能够抑制试管14内的明胶202和细管16内的液体36的界面中的能量传递率的降低，能够良好地射出液体射流MJ。
另外，优选所使用的明胶202的声阻抗与液体36相等，但是也可以稍微偏离。在明胶202的声阻抗为液体36的声阻抗的至少1.5倍左右为止，确认到从液体射流射出装置200射出液体射流MJ。
另外，关于声阻抗Z，使用介质、这里为明胶202的密度ρ和介质中的音速c，由Z＝ρc表示。因此，在本实施方式中，根据明胶202的密度和音速的目录值来计算声阻抗。
此外，在液体射流射出装置200中，在试管14中配置有凝固的明胶202，因此，在微射流的射出方向为水平方向或铅直方向朝下的情况下，也能够防止液体36从试管14流出。进而，由于细管16足够细，因此，通过液体36的表面张力维持液面LS2，能够防止液体从细管16流出。因此，不限定液体射流射出装置200的设置方向，能够在任意方向(例如，水平方向和铅直方向朝下)射出液体射流MJ。
另外，在试管14中配置有液体36的情况下，如果使试管14的内径与细管16的外径之差足够小，则可通过液体36的表面张力来维持液面LS1。然而，管壁对试管14的液体36的影响(粘性耗散导致的能量损失)变大，试管14内的液体36的压力冲量梯度变小，因此，液体射流MJ的增速率β可能变小。与此相对，在液体射流射出装置200中，试管14内的明胶202凝固，因此，即使试管14的内径和细管16的外径之差足够大，液体36也不会从试管14流出。因此，能够使试管14内的明胶202的压力冲量梯度足够大，能够良好地射出增速率β较高的液体射流MJ。
进而，由于明胶202已经凝固，因此试管14内部的明胶202的界面LS3的位置固定，所以，仅通过设定细管16内的液体36的液面LS2的位置就能够设定第1界面差lu’。即，仅通过控制从液体供给装置204向细管16供给的液体量就能够设定第1界面差lu’。因此，不需要向细管16、试管14供给负压或正压的机构，进一步简化了液体射流射出装置200的结构。
此外，伴随于此，细管16的试管14侧和相反侧的端部向大气开放，被射出体的配置变得容易。
进而，在液体射流射出装置200中，由于在试管14内配置了明胶202，因此，仅在细管16内配置要被射出的液体36作为液体射流MJ即可。即，能够抑制液体射流MJ的射出所需要的液体36的量。特别地，在射出高价的液体36等的情况下，能够抑制液体36的使用量的优点明显。
进而，在更换液体射流射出装置200使用的液体36的情况下，由于仅在细管16的内部配置有液体36，因此，在喷出了细管16的内部的液体36后，仅将另外的液体供给到细管16的内部即可。即，可以不更换在试管14的内部配置的明胶202，因此，具有更换液量为少量即可这样的优点。
另外，在本实施方式中，以在试管14中配置明胶202为例进行了说明，但是，不限于此。如果利用固体、即不流动的物质，声阻抗和液体36的声阻抗满足上述条件，则也能够应用于本实施方式。例如，考虑PDMS(聚二甲基硅氧烷)等。
此外，在液体射流射出装置200中，在试管14整体配置了明胶202，但是，根据无关于液体射流MJ的射出方向而防止液体36流出的观点，例如也可以是仅在界面LS3附近形成明胶202的层来防止液体36流出的结构。或者，还考虑在试管14的液面LS1(参照图1)的位置设置盖体来抑制液体36的流出。
进而，根据在液体射流射出装置200中抑制液体射流MJ的射出所使用的液体36的量的观点，考虑在试管14内(细管16的外部)配置与细管16内的液体36不同的液体。
该情况下，不同的液体需要不与液体36混合，需要不与液体36发生化学反应。
此外，即使在液体射流MJ的射出方向为铅直向下的情况下，液体也不会从试管14流出，因此，需要使试管14的内径和细管16的外径之差较小(能够利用液体的表面张力来防止流出)。
进而，为了设定第1界面差lu’，需要使压力差作用于试管14和细管16。另外，在这样构成的情况下，通过仅更换液体36，能够射出不同的液体。
[第4实施方式]
参照图19对本发明的第4实施方式的液体射流射出装置进行说明。对与第2、第3实施方式同样的结构要素标注相同的参照标号并省略其说明。另外，仅对与第3实施方式的不同之处进行说明。
如图19所示，液体射流射出装置300在细管16的下端形成有膜体302。由此，在试管14内，细管16内和细管16外被分离。
因此，在细管16内配置作为液体射流而射出的液体36，并且，在试管14内的细管16外配置与液体36不同的液体304(例如，水)。该膜体302和液体304相当于作为本公开的传递介质的一例的膜体和传递液体。
具体而言，从液体供给装置204向细管16内供给液体36。因此，通过控制从液体供给装置204向细管16供给的液体36的量，能够设定试管14中的液体304的液面LS4(相当于第1实施方式的液面LS1)和细管16内的液体36的液面LS2之间的第1液位差lu。
另外，关于膜体302中使用的明胶，使用质量含水率为95％的明胶。
此外，在图19中，液体射流MJ的射出方向(细管16的开放端)为铅直上方，但是不限于此。即，在水平方向或铅直下方的的情况下也能够应用。
对该液体射流射出装置300的作用进行说明。
液体射流射出装置300与第2实施方式的液体射流射出装置10同样，能够从细管16内的液面LS2射出增速率β较高的细长的液体射流MJ。
特别地，液体射流射出装置300通过在细管16的下端形成的膜体302使液体36和液体304分离，因此，通过从液体304向膜体302传递压力波，膜体302变形而高效地向液体36传播压力波。即，能够抑制试管14内的液体304和膜体302的界面、以及膜体302和细管16内的液体36的界面中的能量传递率的降低，能够良好地射出液体射流MJ。
另外，膜体302不特别限定材料。
此外，由于在细管16的下端形成的膜体302的位置被固定，因此，如果在试管14中，使在细管16外配置的液体304的量固定，则仅通过设定细管16内的液体36的液面LS2的位置，就能够设定第1界面差lu。即，仅通过控制从液体供给装置204向细管16供给的液体36的液体量，就能够设定第1界面差lu。因此，不需要向细管16、试管14供给负压或正压的机构，液体射流射出装置300的结构进一步简化。
此外，伴随于此，细管16的试管14侧和相反侧的端部向大气开放，被射出体的配置变得容易。
进而，在液体射流射出装置300中，形成有在细管16的下端形成的膜体302，因此，仅在细管16内配置作为液体射流MJ而射出的液体36即可。即，能够抑制液体射流MJ的射出所需要的液体36的量。特别地，在射出高价的液体36等的情况下，能够抑制液体36的使用量的优点明显。
进而，在更换液体射流射出装置300使用的液体36的情况下，由于仅在细管16的内部配置有液体36，因此，在排出了细管16的内部的液体36后，仅将另外的液体供给到细管16的内部即可。即，可以不更换在试管14的内部配置的液体304，因此，具有更换液量为少量即可这样的优点。
此外，在液体射流射出装置300中，在试管14中的细管16外，作为传递介质的一例而使用了液体304，因此，还具有与试管14等的容器形状无关而能够容易地在试管14的细管16外配置传递介质这样的优点。
另外，在本实施方式中，以在细管16的下端形成膜体302的例子进行了说明，但是，也可以在细管16的内部形成有膜体302。
[第5实施方式]
参照图20对本发明的第5实施方式的液体射流射出装置进行说明。对与第2、第4实施方式同样的结构要素标注相同的参照标号并省略其说明。另外，仅对与第2实施方式、第4实施方式的不同之处进行说明。
液体射流射出装置350是与第2实施方式的液体射流射出装置100大致同样的结构，但是，不同之处在于，在细管16的内部配置有由明胶形成的栓体352。由此，在试管14内，在细管16中分离为比栓体352更靠试管14的底部的相反侧和试管14的底部侧。因此，在细管16中比栓体352更靠试管14的底部的相反侧配置被射出的液体36，在细管16中比栓体352更靠试管14的底部侧、以及试管14的内部且细管16外配置与液体36不同的液体304。
另外，关于栓体352所使用的明胶，使用质量含水率为95％的明胶。此外，栓体352能够在使液体36和液体304分离的状态下，在细管16的内部沿着轴向上下移动。
对该液体射流射出装置350的作用进行说明。
液体射流射出装置350与第2实施方式的液体射流射出装置10同样，能够从细管16内的液面LS2射出增速率β较高的细长的液体射流MJ。
特别地，在液体射流射出装置350中，构成在细管16的内部配设的栓体352的明胶的含水率为95％，因此，栓体352的声阻抗与液体36、304的声阻抗之差较小。因此，能够抑制试管14内的液体304和栓体352的界面、以及栓体352和细管16内的液体36的界面中的能量传递率的降低，能够良好地射出液体射流MJ。
另外，最优选栓体352所使用的明胶的声阻抗与液体36，304相等，但是也可以稍微偏离。在明胶的声阻抗为液体36、304的声阻抗的至少1.5倍左右为止，确认到从液体射流射出装置350射出液体射流MJ。
此外，在细管16的内部配置的栓体352能够在细管16的轴向上移动。因此，通过驱动注射泵20而在试管14中对细管16外的气体部分进行加减压，由此，能够使细管16内的液体36的液面LS2和试管14中的细管16外的液体304的液面LS4相对地在相反方向上移动，对第1界面差lu进行设定。即，仅通过对注射泵20进行驱动，能够在不同的液体36的液面LS2和液体304的液面LS4之间设定第1界面差lu。因此，液体射流射出装置350的结构简单。
进而，伴随于此，细管16的试管14侧的相反侧的端部向大气开放，被射出体的配置变得容易。
此外，在液体射流射出装置350中，在细管16的内部配置有栓体352，因此，将作为液体射流MJ而射出的液体36仅配置在细管16内的比栓体352更靠试管14的底部的相反侧即可。即，能够抑制液体射流MJ的射出所需要的液体36的量。特别地，在射出高价的液体36等的情况下，能够抑制液体36的使用量的优点明显。
进而，在更换液体射流射出装置350使用的液体36的情况下，由于仅在细管16的内部配置有液体36，因此，在排出了细管16的内部的液体36后，仅将另外的液体供给到细管16的内部即可。即，可以不更换在试管14的内部配置的液体304，因此，具有更换液量为少量即可这样的优点。
此外，在液体射流射出装置350中，在试管14中的细管16外，作为压力波传递介质而使用了液体304，因此，还具有与试管14等的容器形状无关而能够容易地在试管14的细管16外配置传递介质这样的优点。
另外，在本实施方式中，以在细管16的内部形成由明胶构成的栓体352的例子进行了说明，但是，不限于此。如果利用固体、即不流动的物质，声阻抗和液体36的声阻抗满足上述条件，则也能够应用于本实施方式。例如，考虑PDMS(聚二甲基硅氧烷)等。
[第6实施方式]
参照图21对本发明的第6实施方式的液体射流射出装置进行说明。对与第2实施方式同样的结构要素标注相同的参照标号并省略其说明。另外，仅对与第2实施方式的不同之处进行说明。
如图21所示，在液体射流射出装置400中，替换第2实施方式的液体射流射出装置100中的作为产生机构的冲击力施加机构的一例即线圈炮18，将作为激光照射机构的一例的脉冲激光照射装置402配置在试管14的底部的侧方。该脉冲激光照射装置402是如下的装置：内置有聚光透镜，在试管14的内部，使脉冲激光会聚而照射到细管16的下方。
对该液体射流射出装置400的作用进行说明。
如图21所示，在液体射流射出装置400中，在试管14的内部注入液体36，对注射泵20进行操作，对第1液面LS1和第2液面LS2设定规定的液位差。在该状态下，从脉冲激光照射装置402朝向试管14照射脉冲激光404。
脉冲激光404在试管14的内部，在细管16的下方聚光，由此，使液体36的内部产生气泡406。通过产生该气泡406，在液体36中产生的压力波在细管16的内部传播，从液面LS2射出液体射流MJ。
这样，在液体射流射出装置400中，为了使液体36产生压力波，使脉冲激光404会聚而照射到试管14即可，因此，具有试管14不需要在每次产生压力波时移动，且装置稳定这样的优点。
[第7实施方式]
参照图22对本发明的第7实施方式的液体射流射出装置进行说明。对与第2实施方式同样的结构要素标注相同的参照标号并省略其说明。另外，对与第2实施方式的不同之处进行说明。
如图22所示，在液体射流射出装置500中，替换第2实施方式的液体射流射出装置100中的作为产生机构的冲击力施加机构的一例即线圈炮18，设置作为爆炸机构的一例的爆炸装置502。
在该爆炸装置502中，在试管14的底部，在细管16的下方具有利用由明胶构成的膜体504划分的爆炸室506。该爆炸装置502还具有：火药供给装置508，其与该爆炸室506连通，将作为粉末的火药供给到爆炸室506；用于使设于爆炸室506的火药爆炸的雷管510；以及爆炸室506中设置的未图示的排气孔。
对该液体射流射出装置500的作用进行说明。
如图22所示，在液体射流射出装置500中，在试管14的内部注入液体36，对注射泵20进行操作，对第1液面LS1和第2液面LS2设定规定的液位差。在该状态下，从火药供给装置508向爆炸室506供给规定的量的粉末火药，并且驱动雷管510，从而在爆炸室506中产生爆炸。基于该爆炸而产生的冲击波经由膜体504传播到液体36，从细管16内的液体36的液面LS2射出液体射流MJ。
这样，在液体射流射出装置500中，为了使液体36产生压力波，在试管14的底部的爆炸室506使火药爆炸即可，因此，具有试管14不需要在每次产生压力波时移动，且装置稳定这样的优点。
[第8实施方式]
参照图23对本发明的第8实施方式的液体射流射出装置进行说明。对与第2实施方式同样的结构要素标注相同的参照标号并省略其说明。另外，仅对与第2实施方式的不同之处进行说明。
如图23所示，在液体射流射出装置600中，替换第2实施方式的液体射流射出装置100中的作为产生机构的冲击力施加机构的一例即线圈炮18，设置有作为超声波施加机构的一例的超声波产生装置602。
该超声波产生装置602配置在试管14的底部侧，对细管16的下端部侧照射超声波。
对该液体射流射出装置600的作用进行说明。
如图23所示，在液体射流射出装置600中，在试管14的内部注入液体36，在对第1液面LS1和第2液面LS2设定了规定的液位差的状态下，驱动超声波产生装置602，朝向细管16的下端部照射超声波。该超声波传播到细管16内的液体36，在液面LS2集束。其结果是，从液面LS2射出液体射流MJ。
这样，在液体射流射出装置600中，仅对液体36进行超声波照射即可，因此，具有试管14不需要在每次产生压力波时移动，且装置稳定这样的优点。
[其他]
以上，对第1～第8实施方式的液体射流射出装置进行了说明，但是本发明不限于此。
例如，在第1～第5实施方式中，作为冲击力施加机构的一例，使用线圈炮18进行了说明，但是，只要是能够通过打击而将冲击力施加给作为容器的试管14的冲击力施加机构即可，不限于线圈炮18。例如，能够考虑通过使试管14自由落下，从而使打击带来的冲击力作用于试管14。
此外，在第1实施方式～第5实施方式中，公开了使用冲击力施加机构来作为产生机构，但是，可以将其置换为在第6实施方式～第8实施方式中作为一例而示出的激光照射机构、爆炸机构、超声波施加机构。但是，在置换为激光照射机构的情况下，在作为容器的试管14的细管16外配置的传递介质需要是液体，因此，仅能够应用于第1、第2、第4、第5实施方式。
在第1、第2、第5～第8实施方式中，公开了使用如下的注射泵20作为调整机构，该注射泵20是对细管16内的气体部分或细管16外的气体部分进行加减压的细管内液面移位机构或细管外界面移位机构的一例，但是，只要能够使细管16外的液面LS1、LS4(界面LS3)和细管16内的LS2产生第1液位差lu即可，不限于注射泵20。例如，考虑在试管14的细管16外的部分利用橡胶塞等进行密闭，将注射针插入橡胶塞，从而对细管16外的气体部分进行减压，由此，使细管16外的液面LS1、LS4和细管16内的液面LS2产生第1液位差lu。此外，还考虑不对气体部分进行加减压，例如，通过在细管16的轴向上移位的盖体按压细管16或试管14的细管16外的部分的液面，使细管16外的液面LS1、LS4和细管16内的液面LS2产生第1液位差lu。但是，期望从操作的容易性和安全性这方面出发是优越的。
进而，在如第3实施方式那样在细管16外配置的传递介质的一例是明胶202的情况下，或在如第4实施方式那样在细管16的下端形成膜体302从而使细管16外的液体304的液量不会从初始状态变化的情况下，由于细管16外的界面LS3或液面LS4保持固定，因此，具有对向细管16内供给的液体36的液体量进行调整的射出液体供给机构、例如液体供给装置204这样的装置作为调整机构即可。
另外，在第1～第8实施方式的液体射流射出装置中，采用了将试管14、细管16配置在铅直方向上并向铅直上方射出液体射流MJ的结构，但是不限于此。例如，通过构成为将试管14、细管16配置在水平方向上，使细管16内的液面LS2相对于细管16外的液面LS1而成为试管14的底部侧(使液面LS1和液面LS2产生第1液位差lu)，由此能够在水平方向上射出增速率较高的液体射流MJ。另外，该情况下，在试管14内中，试管14的内壁与细管16的外壁之间的距离、以及细管16的内径d足够小，需要通过表面张力的作用将液面LS1、LS2维持为朝向试管14的底部侧的相反侧凹陷的凹面形状。例如，确认到如下情况：在使用作为硅油的液体36时，如果试管14的内壁与细管16的外壁之间的距离为500μm以下，细管16的内径d为1mm以下，则即使使试管14从铅直方向倾斜，液面LS1、LS2也维持朝向试管14的底部侧的相反侧凹陷的凹面形状。
此外，在第1～第5实施方式的液体射流射出装置中，采用了对试管14的底部施加冲击力的结构，但是不限于此。即，也可以是相比于细管16内的液面LS2在试管14的底部侧对试管14的侧面施加冲击力的结构。但是，当冲击力施加位置是试管14的底部侧时，从固定的冲击力转换为细管16内的液体36的加速度的转换效率较高，转换效率最高的情况是对试管14的底部施加冲击力的情况。
进而，在第1～第5实施方式中，采用了经由金属棒46对试管14施加冲击力以射出液体射流MJ的结构，但是不限于此。只要是能够在短时间内对细管16内的液体36施加较大的加速度的结构即可。例如，考虑代替金属棒46而使橡胶材料或聚氨酯材料等柔软物冲撞试管14。该情况下，由于橡胶材料等和试管14的接触时间变长，因此不符合所谓的“冲击力(impulse force)”，但是，如果能够在短时间内(10-4s以下)对细管16内的液体36施加较大的加速度(100m/s2以上)，则能够从液面LS2射出液体射流MJ。
此外，在第1～第8实施方式的液体射流射出装置中，说明了对1个试管配置1个细管，但是，也可以在1个试管的内部配置多个细管。该情况下，通过对1个试管施加冲击力等，能够从各细管射出液体射流MJ。即，能够射出多个液体射流MJ。
另外，在将本实施方式的液体射流射出装置应用于医疗行为的情况下，例如在用作无针注射器的情况下，如第3实施方式所示，在使用明胶202作为在细管16外填充的传递介质的液体射流射出装置中，作为产生机构，例如考虑对第6实施方式中示出的使用粉末火药的类型进行组合的产生机构。
即，将药液等规定量的液体36配置在细管16内，对液面LS2和界面LS3设定第1界面差lu’，在爆炸室506使粉末火药爆炸，由此，从细管16射出作为药液的液体36来作为液体射流即可。此时，通过对第1界面差lu’进行调整从而对增速率β进行调整，能够将药液的到达位置例如变更为皮肤表面、皮肤组织内、皮肤下、肌肉等。
此外，由于仅在细管16内配置作为药液的液体36，由此，容易对药液进行变更，能够降低被浪费的药液量。
另外，在图16、图22中，试管14等被支架12支承，但是，在用作无针注射器的情况下，没有支架12而进行使用，并且能够与接受医疗行为的人的姿势对应地，任意对应液体射流的射出方向。
本公开提供药剂投入方法，该药剂投入方法具有：第1工序，在容器的底部侧配置传递介质，并且在两端开口、一端插入到所述容器的传递介质内且另一端配置于传递介质外的细管内，将至少相对于内面的接触角小于90度的液状的药剂配置在所述细管的内部，以使得能够从所述传递介质压力传递；以及第2工序，在根据患者的药剂到达部位，沿着所述细管的轴向对所述细管内的所述药剂的液面和所述容器内的细管外的所述传递介质的界面的位置进行了调整的状态下，使所述容器内的所述传递介质产生压力波，使所述细管内的所述药剂的至少一部分作为液体射流而朝向患者的皮肤表面射出。
另外，参照2015年5月14日申请的日本专利申请2015-099054号和2015年8月25日申请的日本专利申请2015-166119号的公开而将其整体引入本说明书。
[附记]
另外，本公开的第1方式提供液体微射流高速射出装置，该液体微射流高速射出装置具有：容器，其在底部侧积存液体；细管，其两端开口，一端插入到所述容器的液体内，另一端配置于液体外，并且，至少所述液体相对于内面的接触角小于90度；液位差形成单元，其使所述细管内的液面位于比所述容器内的细管外的液面更靠所述容器的底部侧的位置；以及加速度施加单元，其对所述细管内的液体施加加速度，以从所述细管内的液体射出液体微射流。
此外，本公开的第2方式提供本公开的第1方式的液体微射流高速射出装置，其中，所述加速度施加单元是在比所述细管内的液面更靠所述容器的底部侧的位置对所述容器施加冲击力的冲击力施加单元。
进而，本公开的第3方式提供第1或第2方式的液体微射流高速射出装置，其中，所述液位差形成单元是对所述细管内的气体部分进行加压的加压单元。
此外，本公开的第4方式提供第1或第2方式的液体微射流高速射出装置，其中，所述液位差形成单元是在所述容器内对所述细管外的气体部分进行减压的减压单元。

Claims (14)

1.一种液体射流射出装置，该液体射流射出装置具有：
细管，其是两端开口的筒状体，在内部配置有至少相对于内面的接触角小于90度的射出液体；
容器，其在配置有所述细管的一端的底部侧配置有传递介质，以能够向所述射出液体传递压力；
调整机构，其使所述细管内的所述射出液体的液面和所述容器内且细管外的所述传递介质的界面沿着所述细管的轴向错开位置；以及
产生机构，其使所述传递介质产生压力波，以从所述细管内的所述射出液体射出液体射流。
2.根据权利要求1所述的液体射流射出装置，其中，
所述传递介质具有：
传递液体，其在所述容器内的底部侧至少配置在所述细管外；以及
分离件，其在所述细管内或所述细管的端部被配置在所述传递液体和所述射出液体之间而使两者分离，将压力波从所述传递液体传播到所述射出液体。
3.根据权利要求2所述的液体射流射出装置，其中，
所述分离件是在所述细管内或所述细管的端部形成的膜体。
4.根据权利要求2所述的液体射流射出装置，其中，
所述分离件是如下的栓体，该栓体以能够移位的方式配置在所述细管内，其声阻抗为所述射出液体的声阻抗的1倍以上、1.5倍以下。
5.根据权利要求1所述的液体射流射出装置，其中，
所述传递介质是所述射出液体。
6.根据权利要求1所述的液体射流射出装置，其中，
所述传递介质是声阻抗为所述射出液体的声阻抗的1倍以上、1.5倍以下的固体。
7.根据权利要求4或5所述的液体射流射出装置，其中，
所述调整机构是使所述细管内的所述射出液体的所述液面沿着所述细管的轴向移位的细管内液面移位机构。
8.根据权利要求4或5所述的液体射流射出装置，其中，
所述调整机构是在所述容器内使所述细管外的所述传递介质的所述界面沿着所述细管的轴向移位的细管外界面移位机构。
9.根据权利要求3或6所述的液体射流射出装置，其中，
所述调整机构是向所述细管内供给所述射出液体的射出液体供给机构。
10.根据权利要求1～9中的任意一项所述的液体射流射出装置，其中，
所述产生机构是在比所述细管内的所述射出液体的液面更靠所述容器的底部侧的位置对所述容器施加冲击力的冲击力施加机构。
11.根据权利要求2～5、7、8和从属于权利要求3的权利要求9中的任意一项所述的液体射流射出装置，其中，
所述产生机构是在比所述细管内的所述射出液体的液面更靠所述容器的底部侧的位置对所述传递介质照射激光的激光照射机构。
12.根据权利要求1～9中的任意一项所述的液体射流射出装置，其中，
所述产生机构是在比所述细管内的所述射出液体的液面更靠所述容器的底部侧的位置使爆炸作用于所述传递介质的爆炸机构。
13.根据权利要求1～9中的任意一项所述的液体射流射出装置，其中，
所述产生机构是在比所述细管内的所述射出液体的液面更靠所述容器的底部侧的位置使超声波作用于所述传递介质的超声波施加机构。
14.一种液体射流射出方法，该液体射流射出方法具有：
第1工序，在容器的底部侧配置传递介质，并且，在两端开口、一端插入到所述容器的传递介质内且另一端配置于传递介质外的细管内，将至少相对于内面的接触角小于90度的射出液体配置在细管的内部，使得能够从所述传递介质传递压力；以及
第2工序，在使所述细管内的所述射出液体的液面和所述容器内且细管外的所述传递介质的界面沿着所述细管的轴向错开位置的状态下，使所述容器内的所述传递介质产生压力波，从所述细管内的所述射出液体射出液体射流。
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